JP5954457B2 - 量子干渉装置 - Google Patents
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入力した2つの周波数信号を混合して混合信号を生成する混合器と、
前記混合信号を入力して、前記アルカリ金属原子の2つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数差を有し、かつ、前記アルカリ金属原子にEIT現象を発生させる互いに中心周波数の異なる2つの共鳴光対を前記セルに照射する光源と、
を有することを特徴とする。
光を照射する光源と、
前記光源から入射した光を、前記アルカリ金属原子の2つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数差を有し、かつ、前記アルカリ金属原子にEIT現象を発生させる互いに中心周波数の異なる2つの共鳴光対にして前記セルに向けて照射する電気光学変調素子と、
を有することを特徴とする。
図1は容器に閉じ込められた気体状のアルカリ金属原子集団の速度分布の概略図を示したものである。
図1の横軸は気体状のアルカリ金属原子の速度を、縦軸はその速度を有する気体状のアルカリ金属原子の数の割合を示している。図1に示すように、速度0を中心として気体状のアルカリ金属原子は温度に応じた一定の速度分布を持つ。ここで、速度とは、レーザー光を気体状のアルカリ金属原子集団に照射した時の、照射方向に平行な原子速度成分を表し、光源に対し相対的に静止している速度の値を0としている。ここで、本願発明者らは気体状のアルカリ金属原子の速度がEIT現象に大きく影響を与えていることに着目した。気体状のアルカリ金属原子の速度に分布があると、光のドップラー効果(ドップラーシフト)により共鳴光の見かけ上の波長、すなわち気体状のアルカリ金属原子から見た共鳴光の波長に分布を生じる。このため第1共鳴光と第2共鳴光を1対で同時に照射してもEIT現象を起こさずに残ってしまう気体状のアルカリ金属原子が集団の中で相当数存在することに着目した。従来の方法、即ち第1共鳴光と第2共鳴光を1対で同時にアルカリ金属原子集団に照射する場合、セル内に封入されていた気体状のアルカリ金属原子集団のうち、EIT現象に寄与できるのは、一部のアルカリ金属原子だけであった。そこで、本願発明者らは、ドップラー効果の影響のため、従来EIT現象に寄与せず無駄になっていた気体状のアルカリ金属原子も、EIT現象に寄与させるべく工夫を施した。以下、本発明について詳細に説明する。
次に本実施形態の動作について図3及び図4を参照しながら説明する。LD2の共鳴光11は中心波長がλ0(中心周波数f0)となるように中心波長制御手段1で制御される。LD2の共鳴光11に対して、EOM3と4で周波数変調をかけると、ガスセル5には、図3(a)に示す周波数スペクトラム30〜32を有する共鳴光12が入力される。ここで、図3(a)において、A−A´の周波数差は9.2GHzであり、この一対の共鳴光に対しては、λ0を適当な値に設定することで図4に示す入射光12の方向に対する速度成分が小さい気体状のセシウム原子15がEIT現象を発生する。また、B−B´の周波数差も9.2GHzであり、この一対の共鳴光に対しては、図4に示す入射光12と反対方向の速度成分を持つ気体状のセシウム原子14がEIT現象を発生する。また、図3(a)において、C−C´の周波数差も9.2GHzであり、この一対の共鳴光に対しては、図4に示す入射光12と同じ方向の速度成分を持つ気体状のセシウム原子16がEIT現象を発生する。このように、ガスセル5内の原子は様々な速度分布を持っている。そこで上記のようにサイドバンドB、B´、C、C´の成分を与えた共鳴光12をガスセル5に入射すると、A−A´、B−B´、及びC−C´の周波数差は何れも9.2GHzとなり、これら3対のレーザー光はいずれも対応する速度成分を持つ気体状のセシウム原子と相互作用を起こし、その結果EIT現象に寄与するセシウム原子の割合が増大する。これにより、信号対雑音比(S/N比)の大きい所望のEIT信号を得ることができる。
即ち、光を変調するためには、EOMを用いているが、周波数スペクトラムの数を増やすと、それだけEOMの数を増やさなければならず、コスト的に高くなり、且つ部品点数が増加するといった問題がある。そこで本実施形態では、EOMを変調する信号を予め混合器17により混合しておき、その出力信号18により1つのEOM3を変調する。これにより、EOMの数を最小限にして、部品点数を削減することができる。
即ち、LD2から出射された共鳴光11は、中心波長がλ0となるように中心波長制御手段1で制御されている。そして、中心波長を変調するためには、LD2から出射された共鳴光11をEOMで変調する方法以外に、LD2そのものを変調する方法がある。そこで本実施形態では、発振器10、及び発振器9の出力周波数を混合する混合器17により混合された信号19でLD2そのものを変調駆動する。これにより、EOMを不要とすることができる。また、発振器10の出力周波数は、電圧制御水晶発振器8からPLL等を介して(発振器9の回路の一部を利用することもできる)生成することもできる。その場合は発振器10も不要となる。
また、図示は省略するが、従来のEIT方式による原子発振器に備えられているLDを、夫々異なる波長の面発光レーザーをアレイ状に配置した構成としても構わない。
即ち、LD2から出射される共鳴光対11は光の伝播方向に垂直な面内で、電気ベクトルの先端が円を描く場合、その光は円偏光と呼ばれる。共鳴光対を円偏光に変換すると、波長λ0の光透過強度が通常の約6倍に増大することが実験的に確認されている。これにより、EIT現象による光出力信号のSN比を向上させることができる。
また、LD2から出射される共鳴光対11は光の伝播方向に垂直な面内で、電気ベクトルの先端が楕円を描く場合、その光は楕円偏光と呼ばれる。共鳴光対の光路上に光路と直交するように波長板を置いてその面を回転させると、偏光状態が変化して直交偏光と円偏光の間に連続的に変化する楕円偏光が存在することが分かる。従って、楕円偏光であってもEIT現象による光出力信号のSN比を向上させることができる。
即ち、波長板とは、直交する偏光成分の間に位相差を生じさせる複屈折素子のことである。位相差π(180°)を生じるものをλ/2板または半波長板と呼び、直線偏光の偏光方向を変えるために用いる。位相差π/2(90°)を生じるものをλ/4板または四分の一波長板と呼び、直線偏光を円偏光(楕円偏光)に変換、また逆に円偏光(楕円偏光)を直線偏光に変換するために用いる。本実施形態では、直線偏光を円偏光又は楕円偏光に変える必要があるため、λ/4板が使用され、LD2から出射した直線偏光の共鳴光対11を波長板40により円偏光又は楕円偏光に変えて、ガスセル5に入射させる必要がある。これにより、簡単な構成でEIT現象による光出力信号のSN比を向上させることができる。
Claims (7)
- アルカリ金属原子が封入されているセルと、
入力した2つの周波数信号を混合して混合信号を生成する混合器と、
前記混合信号を入力して、前記アルカリ金属原子の2つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数差を有し、かつ、前記アルカリ金属原子にEIT現象を発生させる互いに中心周波数の異なる2つの共鳴光対を前記セルに照射する光源と、
を有することを特徴とする量子干渉装置。 - 前記混合器が入力する2つの周波数信号のうち、少なくとも1つはPLL回路を含む発振器から出力されることを特徴とする請求項1に記載の量子干渉装置。
- 前記混合器が入力する2つの周波数信号は、互いに異なる発振器から出力されることを特徴とする請求項1または2に記載の量子干渉装置。
- 前記混合器が入力する2つの周波数信号とも、PLL回路を含む発振器から出力されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
- アルカリ金属原子が封入されているセルと、
光を照射する光源と、
前記光源から入射した光を、前記アルカリ金属原子の2つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数差を有し、かつ、前記アルカリ金属原子にEIT現象を発生させる互いに中心周波数の異なる2つの共鳴光対にして前記セルに向けて照射する電気光学変調素子と、
を有することを特徴とする量子干渉装置。 - 前記電気光学変調素子は、2つの共鳴光対を発生させる第1の電気光学変調素子及び第2の電気光学変調素子を有することを特徴とする請求項5に記載の量子干渉装置。
- 前記第1の電気光学変調素子と前記第2の電気光学変調素子とが、前記光源と前記セルとの間で直列に接続されていることを特徴とする請求項6に記載の量子干渉装置。
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